CN105652555A - 一种连续变量光和原子系综纠缠的产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连续变量光和原子系综纠缠的产生装置。本发明主要是解决现有制备分离变量的光和原子系综的纠缠存在着几率性制备的技术问题。本发明的技术方案是：一种连续变量光和原子系综纠缠的产生装置，包括光源单元、若干光束耦合系统、原子系综和测量系统；所述光源单元设有泵浦光脉冲信号aP输出端、写光脉冲信号aW输出端、读光脉冲信号aR输出端、两束本地振荡光信号aL1、aL2输出端和两束模拟光脉冲信号aL3、aL4输出端。该装置利用连续变量量子信息中光场的正交分量和原子系综的集体自旋波，通过自发拉曼散射过程，确定性地制备斯托克斯光和原子系综之间纠缠，并且通过自发拉曼散射过程产生的反斯托克斯光，对光和原子系综纠缠进行测量、分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种连续变量光和原子系综纠缠的产生装置，它属于一种可应用于量子信息网络的光和原子系综纠缠的产生装置。
背景技术
量子纠缠是量子力学的重要内容之一，同时也是量子信息传输和处理的重要资源。纠缠光已经在实验上被制备,并且应用于多种量子信息协议。由原子与光组成的量子信息网络的研究是发展应用的关键。其中，光由于传输速度快，并且和周围环境作用弱的优点，被应用于量子信息的传输。原子可以和光进行有效的相互作用，作为量子信息处理和存储的节点。除了腔量子电动力学系统外，原子系综是实现量子网络节点的有效方法之一。
在2005年，美国佐治亚理工大学的Kuzmich教授研究组利用自发拉曼散射过程制备了分离变量的光子和原子系综的纠缠，在PRL95,040405(2005)发表题目为“EntanglementofaPhotonandaCollectiveAtomicExcitation”的论文。在2006年，美国加州理工大学的Kimble教授研究组利用自发拉曼散射过程制备了分离变量的光子和原子系综的纠缠，并且使原子系综的相干时间延长至21微妙，在PRL97,113603(2006)发表题目为“DirectMeasurementofDecoherenceforEntanglementbetweenaPhotonandStoredAtomicExcitation”的论文。在2007年，中国科学技术大学的潘建伟教授研究组利用自发拉曼散射过程制备了分离变量的光子和原子系综的纠缠，并且利用了拉曼光的两个不同的模式，以提高产生几率，在PRL99,180505(2007)发表题目为“DemonstrationofaStableAtom-PhotonEntanglementSourceforQuantumRepeaters”的论文。以上三个研究工作利用自发拉曼散射过程几率性地制备了分离变量的光和原子纠缠，解决了光和原子系综纠缠制备的技术问题，但上述方法还存在着几率性制备的问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有制备分离变量的光和原子系综的纠缠存在着几率性制备的技术问题，提供一种结构紧凑、可靠性好的可以应用于量子信息网络的连续变量光和原子系综纠缠的确定性产生装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：利用连续变量量子信息中光场的正交分量和原子系综的集体自旋波，通过自发拉曼散射过程，确定性地制备斯托克斯光和原子系综之间纠缠，并且通过自发拉曼散射过程产生的反斯托克斯光，对光和原子系综纠缠进行测量、分析。
一种连续变量光和原子系综纠缠的产生装置，包括光源单元、若干光束耦合系统、原子系综和测量系统；所述光源单元设有泵浦光脉冲信号aP输出端、写光脉冲信号aW输出端、读光脉冲信号aR输出端、两束本地振荡光信号aL1、aL2输出端和两束模拟光脉冲信号aL3、aL4输出端，其中，泵浦光脉冲信号aP输出端与原子系综的第一输入端连接；竖直偏振的写光脉冲信号aW输出端和水平偏振的模拟光脉冲信号aL4输出端分别与第一光束耦合系统的两个输入端连接，第一光束耦合系统的输出端与原子系综的第二输入端连接；竖直偏振的读光脉冲信号aR输出端和水平偏振的模拟光脉冲信号aL3输出端分别与第二光束耦合系统的两个输入端连接，第二光束耦合系统的输出端与原子系综的第三输入端连接；原子系综的第一、第二输出端分别与第三、第四光束耦合系统的输入端连接，第三、第四光束耦合系统的输出端分别与测量系统的第一、第二输入端连接；两束本地振荡光信号aL1、aL2输出端与测量系统的第三、第四输入端连接。
所述光源单元由可调谐激光器、单模1x7光纤耦合器和七套声光调制器组成；可调谐激光器的输出端与单模1x7光纤耦合器的输入端连接，单模1x7光纤耦合器的输出端与七套声光调制器输入端连接；所述可调谐激光器输出与原子吸收线对应的激光，所述该激光被分为七束；第一束光通过第一套声光调制器转换为泵浦光脉冲信号；第二束光通过第二套声光调制器转换为写光脉冲信号；第三束光通过第三套声光调制器转换为读光脉冲信号；第四束光通过第四套声光调制器转换为斯托克斯光的平衡零拍探测系统的本地振荡光信号；第五束光通过第五套声光调制器转换为反斯托克斯光的平衡零拍探测系统的本地振荡光信号；第六束光通过第六套声光调制器转换为斯托克斯光的模拟光脉冲信号；第七束光通过第七套声光调制器转换为反斯托克斯光的模拟光脉冲信号。
所述光束耦合系统由高消光比的格兰汤姆森棱镜组成，光束耦合系统将竖直偏振的写光脉冲信号和水平偏振的反斯托克斯光的模拟光脉冲信号耦合进原子系综；将竖直偏振的读光脉冲信号和水平偏振的斯托克斯光模拟光脉冲信号耦合进原子系综；而且将竖直偏振的读光脉冲信号和写光脉冲信号在进入测量系统之前过滤掉。
所述原子系综由立方原子气室、磁屏蔽系统和温控系统组成；磁屏蔽系统由磁屏蔽纸和金属的磁屏蔽筒构成；所述立方原子气室充有原子气体和缓冲惰性气体，在立方原子气室的通光面镀有激光相应波长的减反膜；磁屏蔽纸设在立方原子气室的外层，并且将用磁屏蔽纸包裹的立方原子气室放置于金属的磁屏蔽筒内；采用加热带、保温材料和控温仪器组成的温控系统设在磁屏蔽的外层并对铷原子加热和控温。
所述测量系统由两套平衡零拍探测系统、功率加减法器和可存储数字示波器组成；每套平衡零拍探测系统由光学分束器、两套平衡零拍探测器和功率减法器构成，第三、第四光束耦合系统输出的斯托克斯光aS、反斯托克斯光aAS分别输入两套平衡零拍探测系统对斯托克斯光aS、反斯托克斯光aAS的正交分量进行测量，并利用第三、第四光束耦合系统输出的斯托克斯光的模拟光aL3、反斯托克斯光的模拟光aL4对它们和本地振荡光aL1、aL2干涉的位相差进行锁定；最后通过功率加减法器和可存储数字示波器对斯托克斯光和反斯托克斯光的关联噪声进行测量、存储和分析。
本发明采用了上述技术方案，利用光和原子相互作用的自发拉曼散射过程产生斯托克斯光的正交分量和原子系综自旋波的纠缠，以及利用光和原子相互作用的自发拉曼散射过程产生反斯托克斯光，将原子系综自旋波的量子态映射到反斯托克斯光的量子态，进而通过测量斯托克斯光和反斯托克斯光的正交分量的关联噪声，验证斯托克斯光的正交分量和原子系综自旋波的斯托克斯分量的纠缠。因此，与背景技术相比，本发明具有结构紧凑、可靠性好、确定性制备和测量的优点。本发明设计的光和原子系综纠缠的产生装置有以下有益效果：
1、本发明所利用的光和原子相互作用的自发拉曼散射过程产生斯托克斯光的正交分量和原子系综自旋波的斯托克斯分量的纠缠。
2、本发明所利用的光和原子相互作用的自发拉曼散射过程产生反斯托克斯光，原子系综自旋波的量子态映射到反斯托克斯光的量子态，进而通过测量斯托克斯光和反斯托克斯光的正交分量的关联噪声，可以验证斯托克斯光的正交分量和原子系综自旋波的斯托克斯分量的纠缠。
3、本发明所利用的自发拉曼散射过程产生连续变量光和原子系综纠缠态，具有确定性制备和测量的优点。
4、本发明所利用的光学耦合系统分别将斯托克斯光的模拟光和反斯托克斯光的模拟光耦合进平衡零拍探测系统，实现对斯托克斯光和反斯托克斯光的连续变量正交分量的测量。
5、本发明所利用的可调谐激光器和七套声光调制器实现相应的时序控制，并且控制写光脉冲信号、读光脉冲信号的单光子失谐量的大小，斯托克斯光的本地振荡光及模拟光、反斯托克斯光的本地振荡光及模拟光的双光子失谐量的大小，可以获得最佳的纠缠。
6、本发明所利用的热原子系综的系统简单、稳定。
7、本发明所利用的热原子系综，光学深度较大，充入惰性缓冲气体，原子的相干时间较长。
8、本发明所利用的立方原子气室首先利用多层u-metal磁屏蔽纸包裹，再放置于磁屏蔽筒，有效对周围环境的磁场进行屏蔽。
9、本发明所利用的温控系统对原子系综进行精确控温，并且选择合适的温度，可以获得最佳纠缠。
本发明所产生的连续变量光和原子系综纠缠态，适合应用于包含原子的量子信息网络，特别是建立量子信息网络节点之间的纠缠。
附图说明
图1本发明的结构示意图；
图2本发明光源单元的结构示意图；
图3本发明光信号的控制时序图；
图4本发明原子系综的能级示意图；
图5本发明原子系综的结构示意图；
图6本发明测量系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本实施例中的一种连续变量光和原子系综纠缠的产生装置，包括光源单元1、四个光束耦合系统21、22、23、24、原子系综3和测量系统4；所述光源单元1设有泵浦光脉冲信号aP输出端、写光脉冲信号aW输出端、读光脉冲信号aR输出端、两束本地振荡光信号aL1、aL2输出端和两束模拟光脉冲信号aL3、aL4输出端，其中，泵浦光脉冲信号aP输出端与原子系综3的第一输入端连接；竖直偏振的写光脉冲信号aW输出端和水平偏振的模拟光脉冲信号aL4输出端分别与第一光束耦合系统21的两个输入端连接，第一光束耦合系统21的输出端与原子系综3的第二输入端连接；竖直偏振的读光脉冲信号aR输出端和水平偏振的模拟光脉冲信号aL3输出端分别与第二光束耦合系统22的两个输入端连接，第二光束耦合系统22的输出端与原子系综3的第三输入端连接；原子系综3的第一、第二输出端分别与第三、第四光束耦合系统23、24的输入端连接，第三、第四光束耦合系统23、24的输出端分别与测量系统4的第一、第二输入端连接；两束本地振荡光信号aL1、aL2输出端分别与测量系统4的第三、第四输入端连接。
如图2所示，所述光源单元由可调谐激光器11、单模1x7光纤耦合器19和七套声光调制器12～18组成；可调谐激光器11的输出端与单模1x7光纤耦合器19的输入端连接，单模1x7光纤耦合器19的输出端与七套声光调制器12～18的输入端连接；所述可调谐激光器11采用低噪声、窄线宽、可调谐钛宝石激光器；钛宝石激光器输出795nm的激光，对应于铷87原子的D1吸收线，所述该激光被分为七束；其中，第一束光通过第一套声光调制器12转换为泵浦光脉冲信号aP，用于原子系综3的初态的制备；第二束光通过第二套声光调制器13转换为写光脉冲信号aW，通过自发拉曼散射过程，产生小角度的斯托克斯光aS，建立光和原子系综之间的纠缠；第三束光通过第三套声光调制器14转换为读光脉冲信号aR，产生小角度的反斯托克斯光aAS，并且将原子系综3的量子态映射到反斯托克斯光aAS的量子态，通过测量斯托克斯光aS和反斯托克斯光aAS的关联性质，验证光和原子系综之间的纠缠；同时，读光脉冲信号aR、写光脉冲信号aW、斯托克斯光aS和反斯托克斯光aAS满足能量守恒关系ωW+ωR＝ωS+ωAS和动量守恒关系第四束光通过第四套声光调制器15转换为斯托克斯光aS的平衡零拍探测系统的本地振荡光信号aL1；第五束光通过第五套声光调制器16转换为反斯托克斯光aAS的平衡零拍探测系统的本地振荡光信号aL2；第六束光通过第六套声光调制器17转换为斯托克斯光aS的模拟光脉冲信号aL3，用于在平衡零拍探测系统中模拟斯托克斯光aS，并且将其和本地振荡光aL1的干涉位相差分别锁定在0和Pi/2，进而测量斯托克斯光aS正交振幅和正交位相分量；第七束光通过第七套声光调制器18转换为反斯托克斯光aAS的模拟光脉冲信号aL4，用于在平衡零拍探测系统中模拟反斯托克斯光aAS，并且将其和本地振荡光aL2的干涉位相差分别锁定在0和Pi/2，进而测量反斯托克斯光aAS正交振幅和正交位相分量。
如图3所示，利用七套声光调制器12～18的开关特性，实现光源单元1中各光信号的时序控制。整个时序控制周期取一毫秒。平衡零拍探测系统的本地振荡光信号常开，输出强的本地振荡光信号aL1和aL2。斯托克斯光和反斯托克斯光的模拟光脉冲信号aL3和aL4在光和原子相互作用的十微秒内关闭，其余时间打开输出强的模拟光，用于对斯托克斯光aS和反斯托克斯光aAS在平衡零拍探测系统中的位相锁定。在斯托克斯光和反斯托克斯光的模拟光脉冲信号aL3和aL4关闭后，产生一微秒的强泵浦光脉冲信号ap将铷87原子制备到初态。在泵浦光脉冲信号作用后，强的写光脉冲信号aW打开五百纳秒，得到斯托克斯光aS和原子系综的纠缠态。在光和原子纠缠保持一百纳秒后，弱的读光脉冲信号aR打开五百纳秒，得到反斯托克斯光aAS。
如图4所示，所述原子系综3采用铷87原子的52S1/2的F＝1和F＝2以及52P1/2的F`＝1和F`＝2的超精细能级。本发明利用钛宝石激光器的调谐特性和声光调制器12～18的移频特性，获得相应波长的光信号。泵浦光脉冲信号aP的频率和52S1/2的F＝2到52P1/2的F`＝1的跃迁吸收线共振，将铷87原子制备到基态52S1/2的F＝1态；写光脉冲信号aW的频率和52S1/2的F＝1到52P1/2的F`＝2的跃迁吸收线有一定的失谐；斯托克斯光的本地振荡光aL1和模拟光aL3的频率和斯托克斯光aS的频率相同，并且由写光频率和相应的原子能级决定，该频率和52S1/2的F＝2到52P1/2的F`＝2的跃迁吸收线有一定的失谐；读光脉冲信号aR的频率和52S1/2的F＝2到52P1/2的F`＝1的跃迁吸收线有一定的失谐；反斯托克斯光的本地振荡光aL2和模拟光aL4的频率和反斯托克斯光aAS的频率相同，由读光频率和相应的原子能级决定，该频率和52S1/2的F＝1到52P1/2的F`＝1的跃迁吸收线有一定的失谐。通过控制写光脉冲信号aW、读光脉冲信号aR的单光子失谐量的大小，和斯托克斯光的本地振荡光aL1及模拟光aL3、反斯托克斯光的本地振荡光aL2及模拟光aL4的双光子失谐量的大小，通过控制光和原子的相互作用强度和关联噪声，获得最佳的光和原子系综的纠缠。
如图1所示，所述第一光束耦合系统21由消光比达到105：1的格兰汤姆森棱镜构成，将竖直偏振的写光脉冲信号aW和水平偏振的反斯托克斯光的模拟光脉冲信号aL4耦合起来；第二光束耦合系统22由格兰汤姆森棱镜构成，将竖直偏振的读光脉冲信号aR和水平偏振的斯托克斯光模拟光脉冲信号aL3耦合起来；第三光束耦合系统23由格兰汤姆森棱镜构成，将竖直偏振的读光脉冲信号aR过滤掉，自发拉曼散射过程产生的水平偏振的斯托克斯光aS和其模拟光脉冲信号aL3透过格兰汤姆森棱镜进入测量系统；第四光束耦合系统24由格兰汤姆森棱镜构成，将竖直偏振的写光脉冲信号aW过滤掉，自发拉曼散射过程产生的水平偏振的反斯托克斯光aAS和其模拟光脉冲信号aL4透过格兰汤姆森棱镜进入测量系统。
如图5所示，所述原子系综3由立方原子气室31、磁屏蔽系统和温控系统34组成；磁屏蔽系统由磁屏蔽纸32和金属的磁屏蔽筒33构成；所述立方原子气室31充有铷87原子气体和一定量的缓冲惰性气体，惰性缓冲气体用以减慢原子气体的运动速度，延长原子的相干时间；在立方原子气室的通光面镀有795nm激光的减反膜，减小损耗对纠缠的影响；磁屏蔽纸32设在立方原子气室31的外层，将用磁屏蔽纸32包裹的立方原子气室31放置于金属的磁屏蔽筒33内，以减小周围环境磁场对原子状态的影响；采用加热带、保温材料和控温仪器组成的温控系统34设在磁屏蔽筒33的外层并对铷原子加热和精确控温，以提高原子密度，增强光和原子相互作用，同时通过控温系统选择最佳的工作温度，可以实现最佳的光和原子系综纠缠。
如图6所示，所述测量系统4由两套平衡零拍探测系统、功率加减法器47和可存储数字示波器48组成；每套平衡零拍探测系统由光学分束片、两套平衡零拍探测器和功率减法器构成。第一套平衡零拍探测系统由光学分束片、两套平衡零拍探测器41、42和功率减法器45构成，对斯托克斯光aS的正交分量进行测量，并利用斯托克斯光的模拟光脉冲信号aL3对其干涉位相差进行锁定；第二套平衡零拍探测系统由光学分束片、两套平衡零拍探测器43、44和功率减法器46构成，对反斯托克斯光aAS的正交分量进行测量，并利用反斯托克斯光的模拟光脉冲信号aL4对其干涉位相差进行锁定；最后通过功率加减法器47和可存储数字示波器48对斯托克斯光aS和反斯托克斯光aAS的关联噪声进行测量、存储和分析，验证连续变量光和原子系综的纠缠。
根据段路明等人提出的不可分判据可以对光和原子系综纠缠态进行判断。如果斯托克斯光和反斯托克斯光的关联噪声满足如下不等式：
〈δ2(XS-XAS)〉+〈δ2(YS+YAS)〉≤4
那么，斯托克斯光和反斯托克斯光之间存在纠缠，也就是光和原子系综之间存在纠缠。其中，X和Y分别表示正交振幅和正交位相分量；〈Δ2(XS-XAS)〉和〈Δ2(YS+YAS)〉分别表示正交振幅和正交位相的关联方差。
本发明装置产生连续变量斯托克斯光aS和原子系综的纠缠态，并且可以通过测量斯托克斯光aS和反斯托克斯光aAS的关联噪声，对光和铷原子系综的纠缠进行测量验证。
本发明的其它实施方式：
在上述实施方式的基础上采用852nm波长的可调谐激光器作为光源，和铯原子相互作用，得到光和铯原子系综纠缠态。
Claims (5)
1.一种连续变量光和原子系综纠缠的产生装置，其特征在于：包括光源单元、若干光束耦合系统、原子系综和测量系统；所述光源单元设有泵浦光脉冲信号aP输出端、写光脉冲信号aW输出端、读光脉冲信号aR输出端、两束本地振荡光信号aL1、aL2输出端和两束模拟光脉冲信号aL3、aL4输出端，其中，泵浦光脉冲信号aP输出端与原子系综的第一输入端连接；竖直偏振的写光脉冲信号aW输出端和水平偏振的模拟光脉冲信号aL4输出端分别与第一光束耦合系统的两个输入端连接，第一光束耦合系统的输出端与原子系综的第二输入端连接；竖直偏振的读光脉冲信号aR输出端和水平偏振的模拟光脉冲信号aL3输出端分别与第二光束耦合系统的两个输入端连接，第二光束耦合系统的输出端与原子系综的第三输入端连接；原子系综的第一、第二输出端分别与第三、第四光束耦合系统的输入端连接，第三、第四光束耦合系统的输出端分别与测量系统的第一、第二输入端连接；两束本地振荡光信号aL1、aL2输出端与测量系统的第三、第四输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种连续变量光和原子系综纠缠的产生装置，其特征在于：所述光源单元由可调谐激光器、单模1x7光纤耦合器和七套声光调制器组成；可调谐激光器的输出端与单模1x7光纤耦合器的输入端连接，单模1x7光纤耦合器的输出端与七套声光调制器输入端连接；
所述可调谐激光器输出与原子吸收线对应的激光，所述该激光被分为七束；第一束光通过第一套声光调制器转换为泵浦光脉冲信号；第二束光通过第二套声光调制器转换为写光脉冲信号；第三束光通过第三套声光调制器转换为读光脉冲信号；第四束光通过第四套声光调制器转换为斯托克斯光的平衡零拍探测系统的本地振荡光信号；第五束光通过第五套声光调制器转换为反斯托克斯光的平衡零拍探测系统的本地振荡光信号；第六束光通过第六套声光调制器转换为斯托克斯光的模拟光脉冲信号；第七束光通过第七套声光调制器转换为反斯托克斯光的模拟光脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的一种连续变量光和原子系综纠缠的产生装置，其特征在于：所述光束耦合系统由高消光比的格兰汤姆森棱镜构成，光束耦合系统将竖直偏振的写光脉冲信号和水平偏振的反斯托克斯光的模拟光脉冲信号耦合进原子系综；将竖直偏振的读光脉冲信号和水平偏振的斯托克斯光模拟光脉冲信号耦合进原子系综；而且将竖直偏振的读光脉冲信号和写光脉冲信号在进入测量系统之前过滤掉。
4.根据权利要求1所述的一种连续变量光和原子系综纠缠的产生装置，其特征在于：所述原子系综由立方原子气室、磁屏蔽系统和温控系统组成；磁屏蔽系统由磁屏蔽纸和金属的磁屏蔽筒构成；所述立方原子气室充有原子气体和缓冲惰性气体，在立方原子气室的通光面镀有激光相应波长的减反膜；磁屏蔽纸设在立方原子气室的外层，并且将用磁屏蔽纸包裹的立方原子气室放置于金属的磁屏蔽筒内；采用加热带、保温材料和控温仪器组成的温控系统设在磁屏蔽的外层并对铷原子加热和控温。
5.根据权利要求1所述的一种连续变量光和原子系综纠缠的产生装置，其特征在于：所述测量系统由两套平衡零拍探测系统、功率加减法器和可存储数字示波器组成；每套平衡零拍探测系统由光学分束器、两套平衡零拍探测器和功率减法器构成，第三、第四光束耦合系统输出的斯托克斯光aS、反斯托克斯光aAS分别输入两套平衡零拍探测系统对斯托克斯光aS、反斯托克斯光aAS的正交分量进行测量，并利用第三、第四光束耦合系统输出的斯托克斯光的模拟光aL3、反斯托克斯光的模拟光aL4对它们和本地振荡光aL1、aL2干涉的位相差进行锁定；最后通过功率加减法器和可存储数字示波器对斯托克斯光和反斯托克斯光的关联噪声进行测量、存储和分析。
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